若い「メガアース」GJ 523b、惑星形成の常識を揺るがす

なぜ標準的な惑星形成モデルと合わないのか

問題の核心は、惑星の中心核が成長したときに、周囲のガスをどれほど取り込むかです。

一般的な「コア集積モデル」では、原始惑星系円盤にガスが残っている段階で固体の核が約20地球質量に達すると、周囲のガスを急速に取り込み始めると考えられています。ガスの取り込みが暴走すれば、最終的には木星のようなガス惑星へ成長するはずです。

ところがGJ 523bは、その目安を上回る質量を持ちながら、測定された密度からは大規模な水素・ヘリウム外層があるようには見えません。

半径2.55地球半径という大きさも、謎を深めています。このサイズは、一般に水素やヘリウムの外層を持つことが多い「サブネプチューン」の領域に入ります。それにもかかわらず、GJ 523bは同程度の大きさのガスを多く含む惑星よりはるかに高密度です。

さらに、惑星系の年齢は約1億6,900万年と推定されています。誤差は+1億年、−4,800万年です。形成からそれほど時間がたっていないため、通常の長期的な大気散逸だけで、もともと存在した巨大な外層がすべて失われたと考えるには難しさがあります。一方で、GJ 523bほど重い惑星は重力が強く、大気を удержする能力も高いと考えられます。

軌道の向きも注目されています。研究チームは、母星の自転軸の傾きを17.6±5.0度と推定しました。惑星が恒星面を横切って見えることを考慮すると、惑星の軌道面と恒星の赤道面とのずれは少なくとも71.4度となり、ほぼ極軌道に近い可能性があります。

この値は間接的な推定ですが、もし確認されれば、惑星が恒星と同じ平面上で穏やかに形成されたという単純なシナリオとは合いにくくなります。

考えられる説明は？

プレプリントは、GJ 523bの形成過程を一つに決めてはいません。現在のデータからは、複数の可能性が残されています。

ガス円盤が消えた後に成長した

惑星が固体物質の大部分を、周囲のガス円盤が消えた後に集めた可能性があります。その場合、巨大な岩石核が形成された時点で、取り込める水素やヘリウムがほとんど残っていなかったと考えられます。

ガスの取り込みが抑えられた

原始惑星系円盤の局所的なガス不足、円盤の急速な消失、あるいは固体物質が降り積もる際に生じる熱が、暴走的なガス集積を妨げた可能性もあります。

研究チームは、小石サイズの物質と微惑星の両方が関わる形成経路にも言及しています。固体物質の集積が続くと、成長中の外層が加熱され、大量のガスを取り込む過程が遅れたり、抑えられたりする可能性があります。

かつての大気を失った

GJ 523bが、形成当初はより厚い大気を持っていたという可能性もあります。若い恒星からの強い高エネルギー放射、巨大衝突、潮汐作用や他天体との力学的相互作用によって、大気が剥ぎ取られたというシナリオです。

ただし、単純な光蒸発だけでは説明しにくい面があります。GJ 523bは比較的重く、公転周期は17.75日で、しかも若い惑星です。これらの条件は大気散逸を否定するものではありませんが、近距離を回る軽い惑星の外層が失われたケースほど、光蒸発だけを有力な説明とはしにくくしています。

軌道が後から大きく変わった

ほぼ極軌道に近い配置は、惑星移動、傾いた原始惑星系円盤、あるいは別の天体との相互作用によって生じた可能性があります。研究チームは、円盤そのものが傾いていたという起源を比較的もっともらしい候補としています。

一方、フォン・ツァイペル＝リドフ＝コザイ機構による軌道変化には、まだ見つかっていない傾いた外側の伴星が必要で、この研究ではより可能性が低いとされています。

「メガアース」としての意義

GJ 523bは、提案されている「メガアース」という天体群の分かりやすい例になる可能性があります。メガアースは一般に、半径が少なくとも2.1地球半径、密度が少なくとも5.5 g/cm³の惑星として定義されています。

このタイプの惑星は、見かけの大きさだけならサブネプチューンに近い一方、内部には通常より多くの重元素を含むと考えられます。つまり、惑星の半径だけを見ていては、岩石主体の巨大惑星と、厚い大気に包まれた低密度惑星を区別できません。質量の測定が不可欠です。

この点でGJ 523bは、系外惑星に見られる「半径の谷」にも関係します。半径の谷とは、小型の岩石惑星と、より大きなサブネプチューンの間に惑星が少ないように見える分布上の空白です。もしこの谷より大きな惑星の一部が、厚い水素・ヘリウム外層を持たず高密度のまま存在できるなら、惑星の進化をサイズだけで説明することはできません。

GJ 523bは、約20地球質量という境界を厳密なルールとして扱うことにも注意を促します。その質量はガス集積が起こりやすくなる目安かもしれませんが、円盤の状態、形成のタイミング、固体物質の集積方法、その後の軌道進化も大きな役割を果たす可能性があります。

ただし、まだ「1個の惑星」にすぎない

GJ 523bが珍しいことは確かでも、1個の天体だけでメガアースがどれほど一般的なのか、また普遍的な形成経路が存在するのかを判断することはできません。

質量と半径には測定誤差があり、平均密度だけから内部の層構造や大気の組成を一意に決めることもできません。高密度であっても、二次的に形成された大気や重元素に富む大気が残っている可能性はあります。

また、軌道の傾きについても、現時点で得られているのは、恒星の自転方向の推定とトランジットという事実から導いた「最小値」です。空の平面に投影された角度を直接測定したわけではありません。

そのため、現段階では「惑星形成理論を破壊した」というより、標準モデルでは説明しにくい重要な事例が見つかったと表現するのが適切です。これがまれな例外なのか、外層を失った惑星なのか、それとも従来見落とされていた惑星集団の一部なのかは、今後の観測にかかっています。

謎を解くために必要な観測

今後、次のような追跡観測が有力です。

• 追加の視線速度観測：質量の精度を高め、軌道離心率を制限するとともに、軌道を変化させた可能性のある長周期の伴星を探します。
• 追加のトランジット測光：惑星半径と、次に通過する時刻を予測する軌道暦をより正確にします。
• トランジット分光：残存大気を直接調べ、水素・ヘリウムが少ないのか、重元素に富むのか、ほぼ大気がないのかを検証します。
• ロシター・マクローリン効果の測定：恒星の自転によるスペクトルの変化を利用し、空の平面に投影された自転軸と軌道の角度を測定します。これにより、ほぼ極軌道という推定を検証できます。
• 同様の若く高密度な惑星の探索：GJ 523bが孤立した異例なのか、巨大な岩石惑星のより広い集団に属するのかを見極めます。

現時点でGJ 523bは、TESSがトランジットを見つけ、NEIDが母星の揺れから質量を測定したことで浮かび上がった、注目すべき暫定的なケーススタディです。地球の23.5倍という質量を持ちながらガス惑星になっていない理由は、惑星形成が単純な質量のしきい値だけでは決まらない可能性を示しています。